基于物聯網技術的工程、地質自動化安全監(jiān)測產業(yè)鏈及工程應用

基于物聯網技術的工程、地質自動化安全監(jiān)測產業(yè)鏈及工程應用

我國地域遼闊，潛在地質災害數量巨大，無論是自然形成或人類活動誘發(fā)的地質災害還是大型工程結構自身，均需進行安全監(jiān)測，提前預測預報，減少人員和經濟損失。目前的安全監(jiān)測技術、手段或監(jiān)測方法普遍存在效率不高、信息化程度低、專業(yè)化程度不夠、工作流程不適用、預警不及時等諸多問題，影響了安全監(jiān)測的實效性和可靠性，無法適應我國新形式下的防災減災需求。

主要技術內容：圍繞工程結構、地質災害自動化安全監(jiān)測需求及特點，從節(jié)能、傳感、防護、有效預警技術幾方面著手研究，建立底層技術支撐；以此為基礎運用電子集成、自動化控制、無線網絡技術研發(fā)了一體化、自主工作的專業(yè)監(jiān)測設備和監(jiān)測執(zhí)行機構，實現監(jiān)測數據實時、穩(wěn)定自動獲取；基于監(jiān)測數據和地理信息數據、歷史災害數據，開發(fā)了具有對比、分析、學習能力的災害提前識別預警和項目管理為一體的綜合數據信息平臺以及基于連續(xù)-非連續(xù)（CDEM）介質力學的安全分析方法模型。

本項目為企業(yè)自主項目，研發(fā)期間河北省科技廳、北京市科委、中國地質調查局分別給予了立項支持。項目實施以技術內容為主線，攻克了一系列關鍵技術問題，形成了較為完備的專業(yè)化、規(guī)范化、標準化的無人值守安全監(jiān)測體系、技術支撐和監(jiān)測系統。主要成果和創(chuàng)新如下：

1.提出了針對工程、地質全自動安全監(jiān)測系統研發(fā)應用保障體系-321保障體系。三項底層支撐技術+兩個現場執(zhí)行機構+一套功能完備的管理軟件系統，使本項目得以有理、有序逐步推進。

2.攻克了野外（室外）無人值守監(jiān)測設備的數據采集、超低功耗、適用工作流程、富網絡無縫通訊、預警預報方式方法等關鍵技術難題，明確了惡劣環(huán)境下監(jiān)測設備應具備的基本功能、性能，完成了自動化監(jiān)測底層技術積累。

3.針對工程、地質無人值守永久監(jiān)測特點，提出了專業(yè)化、一體化、自主工作的適用理念，研發(fā)了系列化的三十余種具有自主知識產權的專業(yè)化物聯網監(jiān)測設備。為全自動安全監(jiān)測數據可靠、準確獲取提供了有利支持。

4.根據安全監(jiān)測預報實效性的需求，將安全分析算法嵌入監(jiān)測設備；提出了多途徑有效預警方式方法，研發(fā)了基于自建射頻網絡的區(qū)域化預警網絡及設備，實現現場數公里內的預警信息發(fā)布，同時也為防災減災科普宣傳、應急指揮提供了新的通訊渠道。

5.提出了以區(qū)域管理、項目管理、數據管理、人員管理、實時預報為主要功能的大數據安全信息平臺架構，開發(fā)了基于地理信息與實時監(jiān)測數據的時空大數據災害模型動態(tài)識別算法和基于連續(xù)-非連續(xù)介質力學的進行定量化分析預警預報模塊，使災害防治由被動防災向主動防災轉變。

研發(fā)成果：發(fā)表論文65篇，專著1冊；授權發(fā)明專利6項、授權實用新型專利22項、軟件著作22項。

主要完成單位及創(chuàng)新推廣貢獻

河北穩(wěn)控科技有限公司

總結并提出了能夠保障自動化安全監(jiān)測系統能夠穩(wěn)定、可靠、高效運行的一系列技術手段和方法-“321安全監(jiān)測保障體系”。提出了超低功耗技術層面解決方案、工作流程、有效預警實現方案和技術路線；完成了基于多種節(jié)電技術的低能耗技術、算法嵌入技術開發(fā)，有針對性的研發(fā)了本項目中80%的工程、地質專業(yè)化監(jiān)測設備；提出了基于多種類數據的綜合化信息平臺架構并搭建了基于地理信息系統和監(jiān)測數據的數據管理平臺，實現了基于網絡的數據接收、反向控制、項目管理、網絡定向預警功能，完成了整個系統各個環(huán)節(jié)的雙向互動通訊、數據發(fā)布等工作。使基于物聯網技術的工程、地質安全監(jiān)測系統具備了完整的體系結構和業(yè)務流程。在監(jiān)測系統總體要求、體系組成構建、數據穩(wěn)定性、可靠性和預警方式方法方面發(fā)作出了重要貢獻。

重慶地質礦產研究院

充分發(fā)揮區(qū)域和技術優(yōu)勢，針對極具代表性的長江流域地質災害提出了監(jiān)測設備應具備的基本功能及性能；開發(fā)了駐守人員及調查手持終端系統（群測群防電子表格），攻克了地質環(huán)境條件復雜區(qū)域人員的持續(xù)精確定位難題；開發(fā)了基于GIS基礎數據與監(jiān)測數據融合的災害體智能識別功能模塊，提高了地質災害預警預報的針對性和指導性；提供設備測試、驗證場地；在三峽庫區(qū)進行了大量的項目實施，使本項目研發(fā)成果得以大范圍推廣應用。為本項目研發(fā)成果與區(qū)域產業(yè)對接應用方面做出了突出貢獻。

中國科學院力學研究所

充分發(fā)揮自身學科優(yōu)勢、人才優(yōu)勢和科研優(yōu)勢的基礎，中科院力學所聯合院內外研究機構，組織滑坡災害研究團隊，在國家973、中國科學院重要方向性等項目等支持下深入參與了本項目實施過程，提出了基于監(jiān)測數據及連續(xù)-非連續(xù)數值模擬的穩(wěn)定性評價方法，研發(fā)了以地下深部破裂及大位移測量技術、土石混合體柔性邊界等應力加載測試技術、當前狀態(tài)評價方法為代表的一系列創(chuàng)新性成果，構建了監(jiān)測預警系統，初步實現了災變體漸進破壞過程的高相似度模擬與預測。提高了我國災害監(jiān)測分析與預警水平，獲得了顯著的社會經濟效益，引領了我國地質災害防治理論與技術的發(fā)展。

北京卓越經緯測控技術有限公司

深入研究了本項目中監(jiān)測設備的工作環(huán)境、防護等級需求，從工業(yè)產品和防護要求方面開展監(jiān)測設備系統集成研究，完成了監(jiān)測設備環(huán)境適應性設計；深入研究并通過實驗驗證了一些公認的便于實現自動化分析的計算方法，篩選了齋藤法、Vedlulst灰色系統理論法等二十余種安全分析、推測方法，完成了現場預警所需核心算法的代碼編寫工作；采用數據模擬手段探索了基于監(jiān)測數據和災變體結構的有限元計算方法；與河北穩(wěn)控科技有限公司共同完成批量生產工作。

推廣應用及經濟社會效益情況

應用情況：成果已得到廣泛應用，特別是華北地區(qū)和三峽庫區(qū)，基于本項目研發(fā)成果的應用已達數百個監(jiān)測區(qū)域，成功預報各類險情千余起（次），避免直接經濟損失數十億元，起到了很好的引領和示范作用。